Vedci premenili plastový odpad na čistý vodík bez drahého triedenia. Táto metóda môže navždy zmeniť recykláciu
Vedci premenili zmes PET, PE a PP na vodík bez triedenia. Nová metóda pracuje pri nižšej teplote a väčšinu uhlíka zachytí.
Oddeľovanie plastov podľa typu je nákladné a v praxi nikdy stopercentné. Tím vedcov z UCLA a Ewha Womans University sa preto vydal odlišnou cestou. Namiesto separácie PET, polyetylénu a polypropylénu ich spracovali ako jeden celok.
Aby bežná mechanická recyklácia fungovala, potrebuje relatívne homogénny materiál. Obsah zberných nádob na plasty je však čímkoľvek iným. PET fľaše tam susedia s potravinovými fóliami, kelímkami, uzávermi, etiketami aj rôznymi znečisťujúcimi látkami. Pred samotnou recykláciou preto odpad čaká dotriedenie, dôkladné umytie a množstvo ďalších operácií.
Výsledkom je, že obrovské množstvo plastov sa nikdy do výroby nevracia. Podľa údajov OECD sa v roku 2019 celosvetovo zrecyklovalo len okolo deviatich percent plastového odpadu. Ďalších 19 percent skončilo v spaľovniach, takmer polovica na skládkach a zvyšok mimo akéhokoľvek riadeného systému.
Výskumný tím sa preto zriekol myšlienky vyrobiť zo starého plastu nový. Zvolil cestu chemického rozkladu, pri ktorom zo zmesi troch bežných plastov – PET, polyetylénu (PE) a polypropylénu (PP) – extrahoval vodík.
Tri druhy plastov v jednom reaktore
Celý postup stojí na metóde nazvanej alkaline thermal treatment, skrátene ATT – alkalickej tepelnej úprave, pri ktorej hydroxid sodný v kombinácii s teplom uvoľňuje vodík z organického materiálu.
Neprehliadni
Pôvodne tím vyvíjal tento prístup pre biomasu, konkrétne morské riasy. Následne ho upravil tak, aby fungoval na plastový odpad. Výsledkom bola výroba vodíka s čistotou presahujúcou 90 percent.
Kľúčovým rozdielom oproti bežnej plynifikácii je teplota. Klasická plynifikácia plastov si vyžaduje zhruba 800 až 1 000 °C. Experimenty s ATT prebiehali v rozmedzí asi 300 až 400 °C, čo predstavuje zníženie o niekoľko stoviek stupňov.
Nižšia prevádzková teplota reaktora sama osebe nezaručuje celkovo nízku energetickú náročnosť. Hydroxid sodný je nutné vyrobiť alebo opätovne regenerovať, plasty si vyžadujú predspracovanie a produkty treba od seba oddeliť. Celková energetická bilancia závisí od všetkých týchto krokov dokopy.
PET sa v procese rozkladal relatívne ochotne, keďže kyslík je priamo súčasťou jeho chemickej štruktúry. PE a PP sú oproti nemu oveľa odolnejšie – tvoria ich výlučne uhlík a vodík, pričom reťazce držia pohromade pevné väzby C–C a C–H, ktoré za bežných alkalických podmienok zostávajú prakticky nenarušené.
Predúprava PE a PP oxidáciou
Riešením sa ukázala tepelná oxidácia. PE a PP vedci nakrátko vystavili pôsobeniu vzdušného kyslíka pri miernej teplote. V polymérnych reťazcoch sa tak vytvorili kyslíkaté funkčné skupiny – karbonylové, hydroxylové a éterové.
Bez tohto kroku hydroxid sodný nenachádzal v hladkých polymérnych reťazcoch žiadne miesto, kde by sa mohol zachytiť. Oxidácia štruktúru narušila a vytvorila reaktívne body, ktoré umožnili efektívnejší rozklad aj PE a PP v následnej alkalickej tepelnej úprave.
Plasty teda do reaktora vstupujú až po určitej príprave. Rozhodujúce však je, že PET, PE ani PP nie je potrebné pred spracovaním navzájom separovať. Spoločné spracovanie po predúprave elimináciou jednej z najdrahších fáz dnešnej recyklácie.
Uhlík zostáva prevažne zachytený v reaktore
Pri produkcii vodíka z plastov nejde len o výťažok plynu. Rovnako podstatné je, čo sa deje s uhlíkom. Spaľovanie ho uvoľňuje do ovzdušia vo forme oxidu uhličitého. Pri procese ATT zostala väčšina uhlíka priamo v reaktore.
Hydroxid sodný viazal časť uhlíka do pevného uhličitanu sodného (Na₂CO₃). Viac než 75 percent uhlíka z pôvodných plastov skončilo buď v uhličitanoch, alebo v kvapalných organických zvyškoch. Do plynnej fázy prešlo menej než 13 percent a priame emisie CO₂ počas samotnej reakcie boli zanedbateľné.
Technológia napriek tomu nie je bez emisií. Výskumníci doteraz nevykonali komplexné posúdenie celého životného cyklu vrátane výroby chemikálií a energie. Samotná reakcia však uhlík vo veľkej miere udržuje mimo atmosféry.
Uhličitan sodný pritom nie je trvalým úložiskom, pretože sa vo vode rozpúšťa. Pomocou hydroxidu vápenatého ho možno premeniť na uhličitan vápenatý (CaCO₃), ktorý je stabilnejší a nachádza uplatnenie v stavebníctve, papierenskom priemysle či pri výrobe cementu. Táto reakcia zároveň čiastočne regeneruje hydroxid sodný, ktorý sa vracia späť do procesu.
Vedľa vodíka a uhličitanov vzniká aj kvapalná organická frakcia. Od jej zloženia, spôsobu spracovania a možného využitia bude do veľkej miery závisieť, či sa technológia presadí aj mimo laboratórnych podmienok.
Reálny odpad bude omnoho komplikovanejší
Laboratórna zmes troch plastov bola starostlivo pripravená a definovaná. Skutočný obsah zberných nádob je však iná vec – obsahuje farbivá, plnivá, lepidlá, kovové súčasti, viacvrstvové obaly, zvyšky potravín aj ďalšie druhy plastov. Ako tieto zložky ovplyvnia priebeh reakcie, čistotu výsledného vodíka alebo životnosť použitých chemikálií, vedci zatiaľ nevedia.
Autori štúdie preto plánujú experimentovať s rôznymi teplotami, pomermi hydroxidu sodného k plastu aj spôsobmi predúpravy. Zároveň musia preveriť, koľko cyklov regenerácie chemikálie zvládnu bez výrazného poklesu účinnosti.
Hlavným rozhodujúcim faktorom nakoniec bude ekonomika celého procesu. Ušetrené náklady na triedenie môžu byť na jednej strane, na druhej stoja výdavky na teplo, hydroxid sodný, oxidačnú predúpravu a zariadenia na spracovanie vedľajších produktov. Otázkou ostáva, či sa inžinierom podarí metódu škálovať na priemyselnú úroveň a či úspora za triedenie skutočne prevýši náklady na chemikálie a energiu.
